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Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS
Temas
• Fenómenos de Ruptura• Juntura: Desviaciones de lo ideal• Interfaces Metal-Semiconductor y Diodo Schottky• Dispositivos Optoelectrónicos• Referencias
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Fenómenos de Ruptura Inversa
• Avalancha• Zener
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Tensión de ruptura inversa
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Tensión de Ruptura inversa
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Avalancha
• Cuando aumenta la tensión inversa, la energía transferida por colisión aumenta
• Cerca de VBR la energía es suficiente para ionizar un átomo semiconductor (impact ionization)– Libera un electrón de
valencia– Efecto “bola de nieve”
• Incremento de I suave alrededor de VBR
• VBR aumenta con la Temp.
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Avalancha
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Tensión de Ruptura
cuando
Ecr independiente del dopado
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Zener
• Efecto túnel en un diodo en inversa• Partícula atraviesa la barrera (sin modificar su energía o
la de la barrera)
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Zener
• Efecto túnel es significativo: – Estados vacíos de un lado, y llenos del otro a la misma
energía– Ancho de la barrera de potencial pequeño (10nm)
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Zener
• Cuanto mayor la tensión inversa, mayor la cantidad de estados a ambos lados: mayor corriente inversa
• En Si, Xd < 10nm, para dopados > 10e17 / cm3 (dopado fuerte en ambos lados)
• Tensión de ruptura pequeña– Efecto dominante cuando VBR < 5V
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Zener y Avalancha
• Avalancha: – VBR aumenta con aumento de Temperatura
• Zener– VBR disminuye con el aumento de la Temperatura– Característica de ruptura suave
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Zener y Avalancha
• Zener– ruptura suave
• Históricamente, se denomina Zener a todos los diodos que utilizan la característica de ruptura (aún cuando el efecto dominante sea avalancha)
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Juntura: Desviaciones de lo ideal
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Factores no ideales
• Entre 0.35V y 0.7V, pendiente esperada q/KT
• A tensiones mayores que 0.7V, pendiente disminuye: – Altos niveles de I
• A tensiones menores de 0.35V, mayores corrientes (pendiente q/2KT– Recombinación y
generación en la zona de vaciamiento
– También produce incremento de I en inversa
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Interfaces Metal-Semiconductor y Diodo Schottky
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Interfaz metal - semiconductor
workfunction
Electron affinityDiff. to Fermi level
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MS diode
Forward conduction dominated by electron injection from semiconductor into metal
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El diodo Schottky
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El diodo Schottky
• Reverse bias capacitance is identical to a pn junction
• Forward bias: – Diffusion component of
current negligible– No storage of minority
carriers– No diffusion capacitance– High frequency use
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Contactos ohmicos
• Imperfecciones producen barrera de potencial• Los niveles de energía no dependen del dopado• A mayor dopado disminuye la zona de vaciamiento, y se produde
la conducción por efecto túnel (contacto ohmico)
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Dispositivos Optoelectrónicos
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Fotodiodos
• Tip. Si o GaAs• Un fotón produce un par hueco-electrón.• La circulación de estas cargas produce corriente• Captación:
– 250nm – 1100nm para Si y 800nm – 2um para GaAs
• Importante: Capacidad de capturar los electrones antes que se recombinen
• Eficiencia cuántica: relación entre fotones que impactan y electrones de I
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Fotodiodos
• Factores Importantes– Velocidad de respuesta– Eficiencia cuántica– Linealidad – Uniformidad espacial– Ruido oscuro (dark noise)
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Fotodiodos
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Diodo p-i-n
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• Hamamatsu model S2386 silicon photodiode
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Toshiba TPS850
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Light Emitting Diode (LED)
Definition: a semiconductor device that emits incoherent narrow-spectrum light when electrically biased in the forward direction
Courtesy of Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/LED
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Light Emitting Diode (LED)
• LED v.s. Incandescent (Edison’s lightbulb) and Flourescent Bulbs– Much longer life span (105 - 106 hrs v.s. 103 / 104 hrs)– Suitable for applications that are subject to frequent on-off
cycling– Efficiency: better than incandescent but currently worse
than flourescent bulbs
Source: US Department of Energy http://www.netl.doe.gov/ssl/faqs.htm
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LED Efficiency
• Internal Quantum Efficiency (ηint)– Definition: ratio of the number of electrons
flowing in the external circuit to the number of photons produced within the device
– Has been improved up to 80%
• External Quantum Efficiency– Definition: The percentage of photons that
can be extracted to the ambient.– Typically 1% ~ 10%– Limiting factor of LED efficiency– Improvement techniques: dome-shaped
package, textured surface, photonic crystal, …
Source: Lecture Note of “Optoelectronic Devices” (by Sheng-fu Horng, Dept. of Electrical Engrg, NTHU, Hsinchu, Taiwan)
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LED’s
External quantum efficiency: is due to reflections in the Interface air-semiconductor
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LED
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Pares Tx-Rx
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Optoacopladores
• Aislación eléctrica entre dos circuitos. Comunicación óptica
• Típicamente se utilizan haces de luz entre el rojo al infrarrojo
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• Características importantes:– Tensión de aislación– Buena relación de
transferencia– Baja capacidad de
acoplamiento– Imnunidad a interferencias
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Referencias
• Robert F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison –Wesley, 1996. Capítulos 6, 9, 14.
• Stanley G. Burns, Paul R. Bond, “Principles of Electronic Circuits”, PWS Publishing Company, 1997. Capítulo 3.